Oktober 27, 2021

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Wissenschaftler entwickeln eine neue Art von atomar dünnem Kohlenstoffmaterial

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Kohlenstoff kommt in der Natur in verschiedenen Formen vor. Neben Graphit und Diamant gibt es kürzlich entdeckte Formen mit überraschenden Eigenschaften.

Struktur des neuen Netzwerks. Der obere Teil zeigt schematisch, wie sich die Kohlenstoffatome in Form von Quadraten, Sechsecken und Achtecken verbinden. Der untere Teil ist ein Bild des Netzwerks, das durch hochauflösende Mikroskopie erhalten wurde. Bildnachweis: Universität Marburg und Aalto University.

Zum Beispiel ist Graphen mit einer Dicke von einer einzelnen Atomschicht das dünnste bekannte Material und seine außergewöhnlichen Eigenschaften machen es zu einem sehr interessanten Kandidaten für Anwendungen wie Hightech-Technik und Elektronik der Zukunft.

In Bezug auf Graphen ist jedes Kohlenstoffatom mit drei Nachbarn verbunden, wodurch Sechsecke entstehen, die in einem Wabennetzwerk angeordnet sind.

Darüber hinaus haben theoretische Studien gezeigt, dass Kohlenstoffatome in anderen Modellen flacher Gitter organisiert werden können, während sie noch mit drei Nachbarn verbunden sind, aber keines dieser geschätzten Gitter wurde bisher erreicht.

An der Universität Marburg in Deutschland und Aalto Universität in FinnlandWissenschaftler haben nun ein neues Kohlenstoffgitter gefunden, das wie Graphen atomar dünn ist, aber aus Quadraten, Sechsecken und Achtecken besteht, die ein geordnetes Gitter bilden.

Die Forscher überprüften die besondere Struktur des Gitters mithilfe der hochauflösenden Rastersondenmikroskopie und stellten auf faszinierende Weise fest, dass sich seine elektronischen Eigenschaften stark von denen von Graphen unterscheiden.

Im Vergleich zu Graphen und anderen Formen von Kohlenstoff weist das neue Biphenylengitter – wie das neue Material genannt wird – metallische Eigenschaften auf. Die schmalen Bänder des Gitters, nur 21 Atome breit, wirken bereits wie ein Metall, während Graphen ein Halbleiter dieser Größe ist.

Diese Bänder könnten als Anschlussdrähte in zukünftigen Elektronikgeräten auf Kohlenstoffbasis verwendet werden Geräte.

Michael Gottfried, Professor an der Universität Marburg

Gottfried leitet das Team, das das Konzept entwickelt hat.

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Laut Qitang Fan, Hauptautor der Marburg-Studie,Dieses neue Kohlenstoffgitter kann auch als überlegenes Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien dienen und hat im Vergleich zu aktuellen Materialien auf Graphenbasis eine größere Lithiumspeicherkapazität.. “”

An der Aalto University half die Forschungsgruppe dabei, das Material abzubilden und seine Eigenschaften zu entschlüsseln.

Das Team von Professor Peter Liljeroth führte die hochauflösende Mikroskopie durch, die die Struktur des Materials enthüllte, während Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Adam Foster Computeranalysen und Simulationen verwendeten, um die interessanten elektrischen Eigenschaften des Materials zu verstehen.

Das neue Material entsteht durch Zusammensetzen der kohlenstoffhaltigen Moleküle auf einer sehr glatten Goldoberfläche. Anfänglich entwickeln diese Moleküle Ketten, die verbundene Sechsecke umfassen, und die nächste Reaktion verbindet diese Ketten miteinander, um die Achtecke und Quadrate zu bilden.

Ein wesentliches Merkmal von Ketten ist, dass sie chiral sind, was impliziert, dass sie in zwei Arten von Spiegeln auftreten, wie der linken und der rechten Hand. Aber nur Ketten der gleichen Art sammeln sich auf der Oberfläche des Goldes an und bilden so saubere Anordnungen, bevor sie verbunden werden.

Dies ist für die Entwicklung des neuen kohlenstoffhaltigen Materials von entscheidender Bedeutung, da bei der Reaktion zwischen zwei verschiedenen Kettentypen nur Graphen entsteht.

Die neue Idee besteht darin, molekulare Vorläufer zu verwenden, die zur Herstellung von Biphenylen anstelle von Graphen modifiziert sind.

Linghao Yan, Aalto Universität

Yan führte die hochauflösenden Mikroskopieexperimente an der Aalto University durch.

Derzeit arbeiten die Gruppen daran, größere Blätter des Materials zu erzeugen, damit dessen Anwendungspotential weiter untersucht werden kann.

Wir sind überzeugt, dass diese neue Synthesemethode zur Entdeckung anderer neuer Kohlenstoffnetzwerke führen wird.

Peter Liljeroth, Professor, Fachbereich Angewandte Physik, Aalto University

Zeitschriftenreferenz:

Fan, Q., et al. (2021) Biphenylennetzwerk: ein Allotrop aus nichtbenzoloidem Kohlenstoff. Wissenschaft. doi.org/10.1126/science.abg4509.

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Quelle: https://www.aalto.fi/en

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